JP2004014587A - 窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハ及び発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】単純な構造により高い生産性を実現する窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハと、これを用いた発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハは、基板１上にバッファ層２、ｎ型ＧａＮクラッド層３、アンドープＩｎＧａＮ井戸層とアンドープＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸構造の活性層４、ｐ型クラッド層５，６、及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層７が順次積層されている。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハは、基板１上にバッファ層２、ｎ型ＧａＮクラッド層３、アンドープＩｎＧａＮ井戸層とアンドープＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸構造の活性層４、ｐ型クラッド層５，６、及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層７が順次積層されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハ及び発光素子に関し、特に単純な構造により高い生産性を実現する発光素子用エピタキシャルウエハ及びこれを用いた発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）等のＧａＮ系化合物半導体は、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）用材料として、脚光を浴びている。さらにＧａＮ系化合物半導体は、光素子以外にも良好な耐熱性や耐環境性の特徴を活かした電子デバイス用素子に使用する試みがなされている。
【０００３】
ところが、窒化物系化合物半導体を用いて発光素子を作製すると、ｎ型クラッド層から漏れた光がサファイア基板とｎ型クラッド層との間にあるコンタクト層内に導波してしまい、外部量子効率が低下する等の不都合を生じる。このため、多重量子井戸構造の活性層よりも屈折率が十分に小さいクラッド層により活性層を挟む構造、例えばサファイア基板の上に、ＩｎＧａＮの多重量子井戸をｐ型及びｎ型のＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の積層体で挟み込む構造がとられる。このような積層体として（Ｉｎ）ＧａＮ／（Ｉｎ）ＡｌＧａＮ／（Ｉｎ）ＧａＮ構造、（Ｉｎ）ＧａＮ／（Ｉｎ）ＡｌＧａＮ超格子構造等が用いられる。
【０００４】
ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子の場合、Ａｌ混晶比を大きくするに従いバンドギャップエネルギーが大きくなり、屈折率が小さくなることが知られている。そこでＧａＮ、及びＡｌ混晶比の高いＡｌＧａＮを薄膜にし、これを積層して多層構造とした超格子層を用いることによりｎ型クラッド層から基板側に光が漏れないようにすることができる。従来構造の窒化物系化合物半導体発光素子の一例を図４に示す。サファイア基板８上に低温成長バッファ層９、ｎ−ＧａＮ層１０、５周期のｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層１１、ｎ−ＧａＮ層１２、アンドープＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の活性層１３、ｐ型ＧａＮ層１４、５周期のｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層１５、ｐ型ＧａＮ層１６、及びｐ−ＩｎＧａＮコンタクト層１７が順に形成されている。
【０００５】
しかしながら、このような積層体構造を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等により成長させる場合には、各層によって大幅に成長条件が異なるため、エピタキシャルウエハの構造が複雑であるほど、成長に必要な時間全体に占める各層間の原料及び成長条件切り替えに要する時間の割合が増加し、生産性が低下する原因となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、単純な構造により高い生産性を実現する窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハと、これを用いた発光素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、（１）均一にドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層と、（２）アンドープのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造からなる活性層と、（３）それぞれ均一にドープされたｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ積層構造、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ積層構造、及びｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）積層構造のいずれかからなるｐ型クラッド層と、（４） ｐ型ＩｎＧａＮからなるｐ型コンタクト層とを有する単純な構造のエピタキシャルウエハを用いて発光素子を作製することにより、エピタキシャルウエハの高い生産性と発光素子の高い特性を両立できることを発見し、本発明に想到した。
【０００８】
すなわち、本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハは、基板上にバッファ層、ｎ型ＧａＮクラッド層、アンドープＩｎＧａＮ井戸層とアンドープＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸構造の活性層、ｐ型クラッド層、及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層が順次積層されていることを特徴とする。
【０００９】
ｐ型クラッド層は、ｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ積層構造、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ積層構造、及びｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）積層構造のいずれかからなるのが好ましい。
【００１０】
ｎ型ＧａＮクラッド層、ｐ型クラッド層及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層はそれぞれ均一にドープされているのが好ましい。またバッファ層は、バッファ層より後に形成された層の成長温度より低い温度で形成されているのが好ましい。さらに基板は窒化物半導体単結晶基板を用いることができる。
【００１１】
以上の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハは発光素子として用いるのに適している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［１］エピタキシャルウエハ
図１は本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハの層構造を示す断面図である。基板（サファイア基板）１の第一主面上にバッファ層（低温成長バッファ層）２が形成され、バッファ層２の上に均一ドープｎ型ＧａＮクラッド層３が形成され、クラッド層３の上にアンドープＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造からなる活性層４が形成されている。活性層４の上にｐ型クラッド層として均一ドープｐ型ＧａＮ層５及び均一ドープｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層６が積層して形成され、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層６の上にｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層７が形成されている。ｐ型クラッド層６としては上記以外に、それぞれ均一にドープされたｐ型ＧａＮ層、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ層、及びｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ層のいずれかを好ましく用いることができる。
【００１３】
基板を形成する材料としてはサファイア（Ａ面、Ｒ面及びＣ面を含む）の他、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ及び３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等を使用することができる。ＧａＮエピタキシャル層との格子定数差及び熱膨張係数差に起因する歪み等を解消し、デバイスの放熱特性を向上させる観点からは、ＧａＮ等の窒化物半導体からなる単結晶基板を用いるのが好ましい。
【００１４】
バッファ層２は基板と窒化物系化合物半導体との格子定数差及び熱膨張係数差による歪みを緩和するために設ける。格子定数差及び熱膨張係数差を十分に吸収するため、バッファ層２を低温成長バッファ層とするのが好ましい。例えば、サファイア基板１上にＧａＮバッファ層を形成する場合には４００〜６００℃の低温域で行うのが好ましい。低温成長バッファ層を形成する材料としてはＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＳｉＣ等を用いることができる。
【００１５】
ｎ型クラッド層３としては、ｎ型ＧａＮからなる窒化物系化合物半導体を用いる。ＧａＮを用いることにより結晶性の高いｎ型クラッド層を得ることができ、これにより出力の高い発光素子を作製することができる。ｎ型ＧａＮ層はキャリア濃度の高いｎ型クラッド層とするため、結晶成長中にＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ等のドナー不純物がドープされている。ｎ型クラッド層３は均一な発光を得るためドナー不純物が均一にドープされているのが好ましい。
【００１６】
活性層４はアンドープＩｎＧａＮからなる井戸層と、アンドープＧａＮからなる障壁層を複数回交互に積層した多重量子井戸構造により形成する。活性層を多重量子井戸構造とすることにより出力の高い発光素子を得ることができる。多重量子井戸構造の井戸層は出力の高い発光を得るためインジウムとガリウムを含む窒化物系化合物半導体（例えばＩｎＧａＮ）又はＧａＮを用いるのが好ましく、特にＩｎＧａＮを用いるのが好ましい。障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物系化合物半導体により形成する。障壁層としてはＧａＮ、ＡｌＮ等を用いるのが好ましく、特にＧａＮを用いるのが好ましい。活性層４にｎ型及びｐ型の不純物を添加してもよいが、不純物を添加すると半値幅の広いバンド間発光となるため色再現領域が狭くなる。従って、活性層４はアンドープ（不純物無添加）とするのが好ましい。
【００１７】
量子井戸構造の活性層は光の閉じ込めが不十分となりやすい。このため、ガリウムを含むｐ型窒化物系化合物半導体、アルミニウムとガリウムを含むｐ型窒化物系化合物半導体等を用いてｐ型クラッド層を形成する。これにより活性層中の光の閉じ込めをより完全なものとすることができる。特にｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）及びｐ型ＧａＮとｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）の積層体は活性層に対し屈折率差を大きくできるので好ましい。ｐ型の窒化物系化合物半導体は結晶成長中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ等のアクセプタ不純物がドープされている。ｐ型クラッド層は均一な発光を得るためアクセプタ不純物が均一にドープされているのが好ましい。本発明に用いるｐ型クラッド層は、それぞれ均一にドープされたｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ多層構造、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ多層構造、及びｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）多層構造のいずれかからなるのが好ましい。
【００１８】
ｐ型コンタクト層７はｐ型ＩｎＧａＮにより構成される。ｐ型ＩｎＧａＮはバンドギャップが小さく正孔濃度を高くできるため、良好なオーミック接触を得ることができる。アクセプタ不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ等を用いる。ｐ型コンタクト層７は均一な発光を得るためアクセプタ不純物が均一にドープされているのが好ましい。
【００１９】
［２］発光素子
図２は本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハを用いた発光素子の一実施例を示す断面図である。図２に示す発光素子は図１に示すエピタキシャルウエハをｐ型コンタクト層側からエッチング処理した後、ｐ型電極２５及びｎ型電極２６を形成することにより作製される。エッチング処理によりｎ型クラッド層２０の一部が露出し、露出した表面にｎ型電極２６が形成されている。このようにｎ型クラッド層２０はｎ型電極２６を形成するためのコンタクト層を兼ねるため、ｎ型電極２６との良好なオーミック接触が要求される。そのため、ｎ型クラッド層２０を形成する窒化物系化合物半導体として結晶性の高いＧａＮを用いる。これにより発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）をより低下させることができる。ｎ型電極２６としては、良好なオーミック特性を得る観点からＴｉ、Ａｌ、Ａｕ等又はこれらの積層電極が好ましい。
【００２０】
一方、ｐ型コンタクト層の表面の一部にはｐ型電極が形成されている。ｐ型電極としては、Ｎｉ／Ａｕ積層電極、Ｎｉ／Ｔｉ積層電極等が良好なオーミック特性を得ることができるため好ましい。
【００２１】
窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハは有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）等の気相成長法を用いて作製することができる。なかでもＭＯＶＰＥ法は迅速に結晶性のよいエピタキシャルウエハを得ることができる。
【００２２】
【実施例】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００２３】
実施例１
図１に示すエピタキシャルウエハをＭＯＶＰＥ法を用いた以下の工程により成長させた。
（１）基板１
ＭＯＶＰＥ装置内にＣ面サファイア基板１をセットし、Ｈ２キャリアガスを供給しながらサファイア基板１の温度を室温から１１００℃に上昇させた。次に基板温度１１００℃でＨ２キャリアガスにより１０分間基板クリーニングを行った。
【００２４】
（２）低温成長バッファ層２
続いて基板温度を１１００℃から５３０℃に下降させ、基板温度５３０℃でＨ２キャリアガスにアンモニア、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を１分間供給してサファイア基板１上に低温成長バッファ層２を形成した。
【００２５】
（３） ｎ型ＧａＮ層３
次に、基板温度を５３０℃から１０２５℃に上昇させ、基板温度１０２５℃でＨ２キャリアガスにアンモニア及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びシランを３０分間供給してＳｉを均一にドープしたｎ型ＧａＮ層３を形成した。
【００２６】
（４）活性層４
続いて基板温度を１０２５℃から７００℃に下降させ、基板温度７００℃でＨ２キャリアガスにアンモニア及びＴＭＧを２分間供給してアンドープのＧａＮからなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させた。続いてＨ２キャリアガスにアンモニア、ＴＭＧ及びＴＭＩ（トリメチルインジウム）を３０秒間供給してアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層を２０オングストロームの膜厚で成長させた。この障壁層と井戸層をそれぞれ３回ずつ交互に積層し、最後に障壁層を積層して膜厚８６０オングストロームの活性層を成長させた。
【００２７】
（５） ｐ型クラッド層５、６
次に基板温度を７００℃から１０２５℃に上昇させ、基板温度１０２５℃でアンモニア、ＴＭＧ及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇを均一にドープしたｐ型ＧａＮ層５を成長させた。続いて基板温度を１０２５℃から１０５０℃に上昇させ、基板温度１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア及びＣｐ２Ｍｇを１０分間供給してＭｇを均一にドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層６を成長させた。
【００２８】
（６） ｐ型コンタクト層７
次に基板温度を１０５０℃から７００℃に下降させ、基板温度７００℃でアンモニア、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇを均一にドープしたｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型コンタクト層７を成長させた。
【００２９】
反応終了後基板温度を室温まで下降させ、窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャルウエハの作製に要した時間は合計で約２時間であった。図３に各反応工程の基板温度変化の概略を示す。次に基板を反応容器から取り出し、アニーリング装置内で窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層をさらに低抵抗化した。
【００３０】
実施例２
実施例１で得られたエピタキシャルウエハを用いて図２に示す発光素子を作製した。まずエピタキシャルウエハの表面をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりｐ型コンタクト層側から部分的に除去してｎ型クラッド層２０（ｎ型ＧａＮ層）の一部を露出させ、露出した表面にＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極２６を形成した。一方、ｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型コンタクト層２４の表面にＮｉ／Ａｕからなるｐ型電極２５を形成した。作製した発光素子の発光出力を測定したところ、２０ ｍＡ通電時の平均光出力は５．１ ｍＷであった。
【００３１】
実施例３
ｐ型クラッド層として、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／ｐ型ＧａＮ積層構造及びｐ型ＧａＮ／ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／ｐ型ＧａＮ積層構造の化合物半導体をそれぞれ用いた以外、実施例１と同様にしてそれぞれエピタキシャルウエハを作製した。得られた発光素子の発光出力を測定したところ、２０ ｍＡ通電時の平均光出力はそれぞれ５．３ ｍＷ及び５．２ ｍＷであった。
【００３２】
実施例４
ｐ型クラッド層として、それぞれｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ及びｐ型ＧａＮからなる単層の化合物半導体をそれぞれ用いた以外、実施例１と同様にしてエピタキシャルウエハを作製した。得られた発光素子の発光出力を測定したところ、２０ ｍＡ通電時の平均光出力はそれぞれ４．８ ｍＷ及び４．７ ｍＷであった。
【００３３】
比較例１
図４に示す従来のエピタキシャルウエハをＭＯＶＰＥ法を用いた以下の工程により成長させた。
（１）基板８
ＭＯＶＰＥ装置内にＣ面サファイア基板８をセットし、Ｈ２キャリアガス供給しながらサファイア基板１を室温から１１００℃に上昇させた。次に基板温度１１００℃でＨ２キャリアガスにより１０分間基板クリーニングを行った。
【００３４】
（２）低温成長バッファ層９
続いて基板温度を１１００℃から５３０℃に下降させ、基板温度５３０℃でアンモニア、ＴＭＧ及びＴＭＩを１分間供給してサファイア基板１上に低温成長バッファ層９を形成した。
【００３５】
（３） ｎ型ＧａＮ層１０
次に基板温度を５３０℃から１０２５℃に上昇させ、基板温度１０２５℃でＨ２キャリアガスにアンモニア、ＴＭＧ及びシランを３０分間供給してＳｉを均一にドープしたｎ型ＧａＮ層１０を形成した。
【００３６】
（４） ｎ型超格子層１１
次に基板温度を１０２５℃から１０５０℃に上昇させ、１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア及びシランを２分間供給してＳｉをドープしたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を膜厚２０オングストロームで成長させた。続いて基板温度を１０２５℃に下降させ、１０２５℃でＴＭＧ、アンモニア及びシランを２分間供給してＳｉをドープしたｎ型ＧａＮ層を膜厚２０オングストロームで成長させた。これらの工程をそれぞれ５回ずつ交互に繰り返して膜厚２００オングストロームのｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子格子層１１を成長させた。
【００３７】
（５） ｎ型ＧａＮ層１２
引き続き１０２５℃でＴＭＧ、アンモニア及びシランを５分間供給してＳｉをドープしたｎ型ＧａＮ層１２を膜厚５０オングストロームで成長させた。
【００３８】
（６）活性層１３
次に基板温度を１０２５℃から７００℃に下降させ、基板温度７００℃でアンモニア及びＴＭＧを２分間供給してアンドープのＧａＮからなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させた。続いてアンモニア、ＴＭＧ及びＴＭＩを３０秒間供給してアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層を２０オングストロームの膜厚で成長させた。この障壁層と井戸層をそれぞれ３回交互に積層し、最後に障壁層を積層して膜厚８６０オングストロームの活性層１３を成長させた。
【００３９】
（７） ｐ型ＧａＮ層１４
次に基板温度を７００℃から１０２５℃に上昇させ、基板温度１０２５℃でＴＭＧ、アンモニア及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇをドープしたｐ型ＧａＮ層１４を膜厚２オングストロームで成長させた。
【００４０】
（８） ｐ型超格子層１５
次に基板温度を１０２５℃から１０５０℃に上昇させ、１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇをドープしたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を膜厚２０オングストロームで成長させた。続いて基板温度を１０２５℃に下降させ、１０２５℃でＴＭＧ、アンモニア及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇをドープしたｐ型ＧａＮ層を成長させた。これらの工程をそれぞれ５回ずつ交互に繰り返して膜厚２００オングストロームのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子格子層１５を成長させた。
【００４１】
（９） ｐ型ＧａＮ層１６
引き続き基板温度１０２５℃でＴＭＧ、アンモニア及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇをドープしたｐ型ＧａＮ層１６を膜厚２０オングストロームで成長させた。
【００４２】
（１０） ｐ型コンタクト層１７
次に基板温度を１０２５℃から７００℃に下降させ、基板温度７００℃でアンモニア、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇを均一にドープしたｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎコンタクト層１７を成長させた。
【００４３】
反応終了後基板温度を室温まで下降させ、窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャルウエハの作製に要した時間は合計で約４時間であった。図５に各反応工程の基板温度変化の概略を示す。次に基板を反応容器から取り出し、アニーリング装置内で窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層をさらに低抵抗化した。
【００４４】
比較例２
比較例１で得られたエピタキシャルウエハを用いて発光素子を作製した。
実施例２と同様にしてｎ型ＧａＮ層の一部を露出させ、露出した表面にＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極を形成し、一方ｐ型コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕからなるｐ型電極を形成した。作製した発光素子の発光出力を測定したところ、２０ ｍＡ通電時の平均光出力は５．２ ｍＷであった。
【００４５】
（評価）
実施例１でエピタキシャルウエハの成長に要した時間は、比較例１で要した時間の半分程度であり、本発明のエピタキシャルウエハの構造にすることにより約２倍の生産性の向上が実現された。また、実施例２、３及び４で得られた発光素子の発光出力は、従来構造である比較例２で得られた発光素子の発光出力の９０％以上の出力が得られた。従って単純な構造を有する本発明の発光素子を用いた場合でも、複雑な構造を有する従来構造の発光素子と同等の性能を実現できることが分かる。
【００４６】
【発明の効果】
上記の通り、単純な構造を有する本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハを用いた発光素子は、従来の複雑な構造を有するエピタキシャルウエハを用いた発光素子と同等の性能を有する。そのため、エピタキシャルウエハ製造に要する時間を短縮することができ、生産性を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハの層構造の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の発光素子の層構造の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハの成長工程における所要時間と基板温度変化の概略を示すグラフである。
【図４】従来の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハの層構造の一例を示す断面図である。
【図５】従来の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハの成長工程における所要時間と基板温度変化の概略を示すグラフである。
【符号の説明】
１，８，１８・・・基板
２，９，１９・・・バッファ層
３，２０・・・ｎ型クラッド層
４，１３，２１・・・活性層
５，６，２２，２３・・・ｐ型クラッド層
７，１７，２４・・・ｐ型コンタクト層
１１・・・ｎ型ＡｌＧａＮ／ｎ型ＧａＮ超格子
１５・・・ｐ型ＡｌＧａＮ／ｐ型ＧａＮ超格子
１０，１２・・・ｎ型ＧａＮ層
１４，１６・・・ｐ型ＧａＮ層
２５・・・ｐ型電極
２６・・・ｎ型電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハ及び発光素子に関し、特に単純な構造により高い生産性を実現する発光素子用エピタキシャルウエハ及びこれを用いた発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）等のＧａＮ系化合物半導体は、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）用材料として、脚光を浴びている。さらにＧａＮ系化合物半導体は、光素子以外にも良好な耐熱性や耐環境性の特徴を活かした電子デバイス用素子に使用する試みがなされている。
【０００３】
ところが、窒化物系化合物半導体を用いて発光素子を作製すると、ｎ型クラッド層から漏れた光がサファイア基板とｎ型クラッド層との間にあるコンタクト層内に導波してしまい、外部量子効率が低下する等の不都合を生じる。このため、多重量子井戸構造の活性層よりも屈折率が十分に小さいクラッド層により活性層を挟む構造、例えばサファイア基板の上に、ＩｎＧａＮの多重量子井戸をｐ型及びｎ型のＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の積層体で挟み込む構造がとられる。このような積層体として（Ｉｎ）ＧａＮ／（Ｉｎ）ＡｌＧａＮ／（Ｉｎ）ＧａＮ構造、（Ｉｎ）ＧａＮ／（Ｉｎ）ＡｌＧａＮ超格子構造等が用いられる。
【０００４】
ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子の場合、Ａｌ混晶比を大きくするに従いバンドギャップエネルギーが大きくなり、屈折率が小さくなることが知られている。そこでＧａＮ、及びＡｌ混晶比の高いＡｌＧａＮを薄膜にし、これを積層して多層構造とした超格子層を用いることによりｎ型クラッド層から基板側に光が漏れないようにすることができる。従来構造の窒化物系化合物半導体発光素子の一例を図４に示す。サファイア基板８上に低温成長バッファ層９、ｎ−ＧａＮ層１０、５周期のｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層１１、ｎ−ＧａＮ層１２、アンドープＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の活性層１３、ｐ型ＧａＮ層１４、５周期のｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層１５、ｐ型ＧａＮ層１６、及びｐ−ＩｎＧａＮコンタクト層１７が順に形成されている。
【０００５】
しかしながら、このような積層体構造を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等により成長させる場合には、各層によって大幅に成長条件が異なるため、エピタキシャルウエハの構造が複雑であるほど、成長に必要な時間全体に占める各層間の原料及び成長条件切り替えに要する時間の割合が増加し、生産性が低下する原因となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、単純な構造により高い生産性を実現する窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハと、これを用いた発光素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、（１）均一にドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層と、（２）アンドープのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造からなる活性層と、（３）それぞれ均一にドープされたｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ積層構造、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ積層構造、及びｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）積層構造のいずれかからなるｐ型クラッド層と、（４） ｐ型ＩｎＧａＮからなるｐ型コンタクト層とを有する単純な構造のエピタキシャルウエハを用いて発光素子を作製することにより、エピタキシャルウエハの高い生産性と発光素子の高い特性を両立できることを発見し、本発明に想到した。
【０００８】
すなわち、本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハは、基板上にバッファ層、ｎ型ＧａＮクラッド層、アンドープＩｎＧａＮ井戸層とアンドープＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸構造の活性層、ｐ型クラッド層、及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層が順次積層されていることを特徴とする。
【０００９】
ｐ型クラッド層は、ｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ積層構造、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ積層構造、及びｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）積層構造のいずれかからなるのが好ましい。
【００１０】
ｎ型ＧａＮクラッド層、ｐ型クラッド層及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層はそれぞれ均一にドープされているのが好ましい。またバッファ層は、バッファ層より後に形成された層の成長温度より低い温度で形成されているのが好ましい。さらに基板は窒化物半導体単結晶基板を用いることができる。
【００１１】
以上の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハは発光素子として用いるのに適している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［１］エピタキシャルウエハ
図１は本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハの層構造を示す断面図である。基板（サファイア基板）１の第一主面上にバッファ層（低温成長バッファ層）２が形成され、バッファ層２の上に均一ドープｎ型ＧａＮクラッド層３が形成され、クラッド層３の上にアンドープＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造からなる活性層４が形成されている。活性層４の上にｐ型クラッド層として均一ドープｐ型ＧａＮ層５及び均一ドープｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層６が積層して形成され、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層６の上にｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層７が形成されている。ｐ型クラッド層６としては上記以外に、それぞれ均一にドープされたｐ型ＧａＮ層、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ層、及びｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ層のいずれかを好ましく用いることができる。
【００１３】
基板を形成する材料としてはサファイア（Ａ面、Ｒ面及びＣ面を含む）の他、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ及び３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等を使用することができる。ＧａＮエピタキシャル層との格子定数差及び熱膨張係数差に起因する歪み等を解消し、デバイスの放熱特性を向上させる観点からは、ＧａＮ等の窒化物半導体からなる単結晶基板を用いるのが好ましい。
【００１４】
バッファ層２は基板と窒化物系化合物半導体との格子定数差及び熱膨張係数差による歪みを緩和するために設ける。格子定数差及び熱膨張係数差を十分に吸収するため、バッファ層２を低温成長バッファ層とするのが好ましい。例えば、サファイア基板１上にＧａＮバッファ層を形成する場合には４００〜６００℃の低温域で行うのが好ましい。低温成長バッファ層を形成する材料としてはＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＳｉＣ等を用いることができる。
【００１５】
ｎ型クラッド層３としては、ｎ型ＧａＮからなる窒化物系化合物半導体を用いる。ＧａＮを用いることにより結晶性の高いｎ型クラッド層を得ることができ、これにより出力の高い発光素子を作製することができる。ｎ型ＧａＮ層はキャリア濃度の高いｎ型クラッド層とするため、結晶成長中にＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ等のドナー不純物がドープされている。ｎ型クラッド層３は均一な発光を得るためドナー不純物が均一にドープされているのが好ましい。
【００１６】
活性層４はアンドープＩｎＧａＮからなる井戸層と、アンドープＧａＮからなる障壁層を複数回交互に積層した多重量子井戸構造により形成する。活性層を多重量子井戸構造とすることにより出力の高い発光素子を得ることができる。多重量子井戸構造の井戸層は出力の高い発光を得るためインジウムとガリウムを含む窒化物系化合物半導体（例えばＩｎＧａＮ）又はＧａＮを用いるのが好ましく、特にＩｎＧａＮを用いるのが好ましい。障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物系化合物半導体により形成する。障壁層としてはＧａＮ、ＡｌＮ等を用いるのが好ましく、特にＧａＮを用いるのが好ましい。活性層４にｎ型及びｐ型の不純物を添加してもよいが、不純物を添加すると半値幅の広いバンド間発光となるため色再現領域が狭くなる。従って、活性層４はアンドープ（不純物無添加）とするのが好ましい。
【００１７】
量子井戸構造の活性層は光の閉じ込めが不十分となりやすい。このため、ガリウムを含むｐ型窒化物系化合物半導体、アルミニウムとガリウムを含むｐ型窒化物系化合物半導体等を用いてｐ型クラッド層を形成する。これにより活性層中の光の閉じ込めをより完全なものとすることができる。特にｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）及びｐ型ＧａＮとｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）の積層体は活性層に対し屈折率差を大きくできるので好ましい。ｐ型の窒化物系化合物半導体は結晶成長中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ等のアクセプタ不純物がドープされている。ｐ型クラッド層は均一な発光を得るためアクセプタ不純物が均一にドープされているのが好ましい。本発明に用いるｐ型クラッド層は、それぞれ均一にドープされたｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ多層構造、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ多層構造、及びｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）多層構造のいずれかからなるのが好ましい。
【００１８】
ｐ型コンタクト層７はｐ型ＩｎＧａＮにより構成される。ｐ型ＩｎＧａＮはバンドギャップが小さく正孔濃度を高くできるため、良好なオーミック接触を得ることができる。アクセプタ不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ等を用いる。ｐ型コンタクト層７は均一な発光を得るためアクセプタ不純物が均一にドープされているのが好ましい。
【００１９】
［２］発光素子
図２は本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハを用いた発光素子の一実施例を示す断面図である。図２に示す発光素子は図１に示すエピタキシャルウエハをｐ型コンタクト層側からエッチング処理した後、ｐ型電極２５及びｎ型電極２６を形成することにより作製される。エッチング処理によりｎ型クラッド層２０の一部が露出し、露出した表面にｎ型電極２６が形成されている。このようにｎ型クラッド層２０はｎ型電極２６を形成するためのコンタクト層を兼ねるため、ｎ型電極２６との良好なオーミック接触が要求される。そのため、ｎ型クラッド層２０を形成する窒化物系化合物半導体として結晶性の高いＧａＮを用いる。これにより発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）をより低下させることができる。ｎ型電極２６としては、良好なオーミック特性を得る観点からＴｉ、Ａｌ、Ａｕ等又はこれらの積層電極が好ましい。
【００２０】
一方、ｐ型コンタクト層の表面の一部にはｐ型電極が形成されている。ｐ型電極としては、Ｎｉ／Ａｕ積層電極、Ｎｉ／Ｔｉ積層電極等が良好なオーミック特性を得ることができるため好ましい。
【００２１】
窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハは有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）等の気相成長法を用いて作製することができる。なかでもＭＯＶＰＥ法は迅速に結晶性のよいエピタキシャルウエハを得ることができる。
【００２２】
【実施例】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００２３】
実施例１
図１に示すエピタキシャルウエハをＭＯＶＰＥ法を用いた以下の工程により成長させた。
（１）基板１
ＭＯＶＰＥ装置内にＣ面サファイア基板１をセットし、Ｈ２キャリアガスを供給しながらサファイア基板１の温度を室温から１１００℃に上昇させた。次に基板温度１１００℃でＨ２キャリアガスにより１０分間基板クリーニングを行った。
【００２４】
（２）低温成長バッファ層２
続いて基板温度を１１００℃から５３０℃に下降させ、基板温度５３０℃でＨ２キャリアガスにアンモニア、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を１分間供給してサファイア基板１上に低温成長バッファ層２を形成した。
【００２５】
（３） ｎ型ＧａＮ層３
次に、基板温度を５３０℃から１０２５℃に上昇させ、基板温度１０２５℃でＨ２キャリアガスにアンモニア及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びシランを３０分間供給してＳｉを均一にドープしたｎ型ＧａＮ層３を形成した。
【００２６】
（４）活性層４
続いて基板温度を１０２５℃から７００℃に下降させ、基板温度７００℃でＨ２キャリアガスにアンモニア及びＴＭＧを２分間供給してアンドープのＧａＮからなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させた。続いてＨ２キャリアガスにアンモニア、ＴＭＧ及びＴＭＩ（トリメチルインジウム）を３０秒間供給してアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層を２０オングストロームの膜厚で成長させた。この障壁層と井戸層をそれぞれ３回ずつ交互に積層し、最後に障壁層を積層して膜厚８６０オングストロームの活性層を成長させた。
【００２７】
（５） ｐ型クラッド層５、６
次に基板温度を７００℃から１０２５℃に上昇させ、基板温度１０２５℃でアンモニア、ＴＭＧ及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇを均一にドープしたｐ型ＧａＮ層５を成長させた。続いて基板温度を１０２５℃から１０５０℃に上昇させ、基板温度１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア及びＣｐ２Ｍｇを１０分間供給してＭｇを均一にドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層６を成長させた。
【００２８】
（６） ｐ型コンタクト層７
次に基板温度を１０５０℃から７００℃に下降させ、基板温度７００℃でアンモニア、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇを均一にドープしたｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型コンタクト層７を成長させた。
【００２９】
反応終了後基板温度を室温まで下降させ、窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャルウエハの作製に要した時間は合計で約２時間であった。図３に各反応工程の基板温度変化の概略を示す。次に基板を反応容器から取り出し、アニーリング装置内で窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層をさらに低抵抗化した。
【００３０】
実施例２
実施例１で得られたエピタキシャルウエハを用いて図２に示す発光素子を作製した。まずエピタキシャルウエハの表面をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりｐ型コンタクト層側から部分的に除去してｎ型クラッド層２０（ｎ型ＧａＮ層）の一部を露出させ、露出した表面にＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極２６を形成した。一方、ｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型コンタクト層２４の表面にＮｉ／Ａｕからなるｐ型電極２５を形成した。作製した発光素子の発光出力を測定したところ、２０ ｍＡ通電時の平均光出力は５．１ ｍＷであった。
【００３１】
実施例３
ｐ型クラッド層として、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／ｐ型ＧａＮ積層構造及びｐ型ＧａＮ／ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／ｐ型ＧａＮ積層構造の化合物半導体をそれぞれ用いた以外、実施例１と同様にしてそれぞれエピタキシャルウエハを作製した。得られた発光素子の発光出力を測定したところ、２０ ｍＡ通電時の平均光出力はそれぞれ５．３ ｍＷ及び５．２ ｍＷであった。
【００３２】
実施例４
ｐ型クラッド層として、それぞれｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ及びｐ型ＧａＮからなる単層の化合物半導体をそれぞれ用いた以外、実施例１と同様にしてエピタキシャルウエハを作製した。得られた発光素子の発光出力を測定したところ、２０ ｍＡ通電時の平均光出力はそれぞれ４．８ ｍＷ及び４．７ ｍＷであった。
【００３３】
比較例１
図４に示す従来のエピタキシャルウエハをＭＯＶＰＥ法を用いた以下の工程により成長させた。
（１）基板８
ＭＯＶＰＥ装置内にＣ面サファイア基板８をセットし、Ｈ２キャリアガス供給しながらサファイア基板１を室温から１１００℃に上昇させた。次に基板温度１１００℃でＨ２キャリアガスにより１０分間基板クリーニングを行った。
【００３４】
（２）低温成長バッファ層９
続いて基板温度を１１００℃から５３０℃に下降させ、基板温度５３０℃でアンモニア、ＴＭＧ及びＴＭＩを１分間供給してサファイア基板１上に低温成長バッファ層９を形成した。
【００３５】
（３） ｎ型ＧａＮ層１０
次に基板温度を５３０℃から１０２５℃に上昇させ、基板温度１０２５℃でＨ２キャリアガスにアンモニア、ＴＭＧ及びシランを３０分間供給してＳｉを均一にドープしたｎ型ＧａＮ層１０を形成した。
【００３６】
（４） ｎ型超格子層１１
次に基板温度を１０２５℃から１０５０℃に上昇させ、１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア及びシランを２分間供給してＳｉをドープしたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を膜厚２０オングストロームで成長させた。続いて基板温度を１０２５℃に下降させ、１０２５℃でＴＭＧ、アンモニア及びシランを２分間供給してＳｉをドープしたｎ型ＧａＮ層を膜厚２０オングストロームで成長させた。これらの工程をそれぞれ５回ずつ交互に繰り返して膜厚２００オングストロームのｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子格子層１１を成長させた。
【００３７】
（５） ｎ型ＧａＮ層１２
引き続き１０２５℃でＴＭＧ、アンモニア及びシランを５分間供給してＳｉをドープしたｎ型ＧａＮ層１２を膜厚５０オングストロームで成長させた。
【００３８】
（６）活性層１３
次に基板温度を１０２５℃から７００℃に下降させ、基板温度７００℃でアンモニア及びＴＭＧを２分間供給してアンドープのＧａＮからなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させた。続いてアンモニア、ＴＭＧ及びＴＭＩを３０秒間供給してアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層を２０オングストロームの膜厚で成長させた。この障壁層と井戸層をそれぞれ３回交互に積層し、最後に障壁層を積層して膜厚８６０オングストロームの活性層１３を成長させた。
【００３９】
（７） ｐ型ＧａＮ層１４
次に基板温度を７００℃から１０２５℃に上昇させ、基板温度１０２５℃でＴＭＧ、アンモニア及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇをドープしたｐ型ＧａＮ層１４を膜厚２オングストロームで成長させた。
【００４０】
（８） ｐ型超格子層１５
次に基板温度を１０２５℃から１０５０℃に上昇させ、１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇをドープしたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を膜厚２０オングストロームで成長させた。続いて基板温度を１０２５℃に下降させ、１０２５℃でＴＭＧ、アンモニア及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇをドープしたｐ型ＧａＮ層を成長させた。これらの工程をそれぞれ５回ずつ交互に繰り返して膜厚２００オングストロームのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子格子層１５を成長させた。
【００４１】
（９） ｐ型ＧａＮ層１６
引き続き基板温度１０２５℃でＴＭＧ、アンモニア及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇをドープしたｐ型ＧａＮ層１６を膜厚２０オングストロームで成長させた。
【００４２】
（１０） ｐ型コンタクト層１７
次に基板温度を１０２５℃から７００℃に下降させ、基板温度７００℃でアンモニア、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＣｐ２Ｍｇを２分間供給してＭｇを均一にドープしたｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎコンタクト層１７を成長させた。
【００４３】
反応終了後基板温度を室温まで下降させ、窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャルウエハの作製に要した時間は合計で約４時間であった。図５に各反応工程の基板温度変化の概略を示す。次に基板を反応容器から取り出し、アニーリング装置内で窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層をさらに低抵抗化した。
【００４４】
比較例２
比較例１で得られたエピタキシャルウエハを用いて発光素子を作製した。
実施例２と同様にしてｎ型ＧａＮ層の一部を露出させ、露出した表面にＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極を形成し、一方ｐ型コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕからなるｐ型電極を形成した。作製した発光素子の発光出力を測定したところ、２０ ｍＡ通電時の平均光出力は５．２ ｍＷであった。
【００４５】
（評価）
実施例１でエピタキシャルウエハの成長に要した時間は、比較例１で要した時間の半分程度であり、本発明のエピタキシャルウエハの構造にすることにより約２倍の生産性の向上が実現された。また、実施例２、３及び４で得られた発光素子の発光出力は、従来構造である比較例２で得られた発光素子の発光出力の９０％以上の出力が得られた。従って単純な構造を有する本発明の発光素子を用いた場合でも、複雑な構造を有する従来構造の発光素子と同等の性能を実現できることが分かる。
【００４６】
【発明の効果】
上記の通り、単純な構造を有する本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハを用いた発光素子は、従来の複雑な構造を有するエピタキシャルウエハを用いた発光素子と同等の性能を有する。そのため、エピタキシャルウエハ製造に要する時間を短縮することができ、生産性を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハの層構造の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の発光素子の層構造の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハの成長工程における所要時間と基板温度変化の概略を示すグラフである。
【図４】従来の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハの層構造の一例を示す断面図である。
【図５】従来の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハの成長工程における所要時間と基板温度変化の概略を示すグラフである。
【符号の説明】
１，８，１８・・・基板
２，９，１９・・・バッファ層
３，２０・・・ｎ型クラッド層
４，１３，２１・・・活性層
５，６，２２，２３・・・ｐ型クラッド層
７，１７，２４・・・ｐ型コンタクト層
１１・・・ｎ型ＡｌＧａＮ／ｎ型ＧａＮ超格子
１５・・・ｐ型ＡｌＧａＮ／ｐ型ＧａＮ超格子
１０，１２・・・ｎ型ＧａＮ層
１４，１６・・・ｐ型ＧａＮ層
２５・・・ｐ型電極
２６・・・ｎ型電極
Claims (6)
- 基板上にバッファ層、ｎ型ＧａＮクラッド層、アンドープＩｎＧａＮ井戸層とアンドープＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸構造の活性層、ｐ型クラッド層、及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層が順次積層されていることを特徴とする窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハ。
- 請求項１に記載の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハにおいて、前記ｐ型クラッド層は、ｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ積層構造、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）／ｐ型ＧａＮ積層構造、及びｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）積層構造のいずれかからなることを特徴とする窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハ。
- 請求項１又は２に記載の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハにおいて、前記ｎ型ＧａＮクラッド層、ｐ型クラッド層及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層はそれぞれ均一にドープされていることを特徴とする窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハ。
- 請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハにおいて、前記バッファ層は、前記バッファ層より後に形成された層の成長温度より低い温度で形成されていることを特徴とする窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハ。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハにおいて、前記基板は窒化物半導体単結晶基板であることを特徴とする窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハ。
- 請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハを用いた発光素子。
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